효모 내 세포 소기관 조절을 이용한 대사공학 연구동향

아주대학교 이평천 교수

1. 개요

기능성 대사 경로를 조절하는 작업은 비효율적 조절 반응, 최적화되지 않은 물리 화학적 환경, 경쟁 대사에 대한 대사중간물질의 손실, 대사산물 독성 등 여러 가지 문제를 야기한다 (Avalos, J.L. et al, 2013). 효모는 낮은 pH에서의 성장, 단순한 영양 요구, 바이러스 감염에 대한 낮은 확률 및 기질 및 대사산물 독성에 대한 높은 내성으로 인해 선호되는 산업 유기체이며, 유전자 조작의 용이성, 복잡한 이종 효소들의 발현 능력이 손쉬운 장점이 있다 (Shiba, Y. et al, 2007).

효모 대사 공학은 주로 세포질에서 대사 경로를 구축함에 집중되어왔다. 단백질 융합 및 합성 단백질 스케폴드와 같은 대사 경로 최적화 전략은 일부 대사 조절에 따른 생산성을 효과적으로 향상 시킬 수 있으나, 스케폴드에 구축 가능한 효소의 수는 이용 가능한 결합 도메인에 의해 제한되며, 단백질 융합체와 스케폴드는 효소 활성에 부정적 영향을 미친다 (Pompon, D. , et al, 1996) (Dueber, J.E. et al, 2009). 따라서 다양한 전략이 개발되고 있으며, 최근 대두되는 대안 중 하나는 세ㅇㅇ포 소기관 내 대사 경로의 구축이다.

이러한 세포 소기관은 고유의 물리 화학적 환경, 효소, 대사산물 및 보조 인자와 같은 다양한 대사에 맞춤형 조건을 제공할 수 있다 (그림 1). 세포 소기관 내에 대사경로를 구축함으로써 고유의 기질농도와 효소가 증가 할 수 있으며, 이는 빠른 반응 속도와 향상된 생산성으로 이어질 수 있다. 또한 대사중간체를 세포 소기관 내에서 합성함으로써, 대사산물의 전환을 억제하고 대사 과정에 대한 독성 영향을 감소시킬 수 있다 (Ayer, A. et al, 2013).

세포소기관 조절의 장점에도 불구하고 실질적인 문제가 극복 될 때까지는 이와 같은 장점들의 실현이 불가능한 현실이다. 각각의 대사조절을 위해, 표적화할 소기관의 선정은 부적절한 생리 환경 및 필수 보조 인자 또는 전구체의 부적절한 공급이 효소 활성을 감소시킬 수 있으므로 신중하게 선택되어야한다. 또한 효소의 세포소기관으로의 표적화가 효소 활성에 미치는 부정적인 효과를 최소화하기 위해 주의를 기울여야한다. 더불어 세포 소기관 내 단백질 용량과 최대 소기관 체적은 제한적이므로, 이러한 매개 변수를 증가시키는 전략의 개발이 필요하다. 그러나 이러한 문제를 해결하는 것은 불가능한 일이 아니다. 첫째, 효모의 여러 세포소기관의 존재는 다양한 대사 구축에 큰 유연성을 제공한다. 둘째, 세포 내 소기관의 수와 체적을 변화시키는 전략뿐만 아니라 세포 소기관에 효소를 표적화하는 여러 기작들이 아직 밝혀지지 않았다. 마지막으로, 세포소기관의 세포막 전달체의 탐색을 통해 세포 소기관 내부의 대사 성분을 조작 할 수 있다. 이러한 문제의 해결은 세포 소기관 조절 전략을 통한 대사공학을 이용함으로써, 기존의 원핵세포보다 효모의 매우 중요한 장점이 될 수 있다.

...................(계속)

출처: 지능형 바이오시스템 설계 및 합성연구단   (바로가기)